AI識別出地震先兆信號？機器學(xué)習發(fā)現數據神秘關(guān)聯(lián)，人類(lèi)有望預測地震
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2024-01-04
來(lái)源：工程師
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【導讀】10年前，「地震預測」在圈內還是如尼斯湖水怪一般的奇談怪論，但機器學(xué)習的發(fā)展，已經(jīng)讓「準確預測地震」的可能性，又往前邁進(jìn)了一步。最近一段時(shí)間，世界各地地震頻發(fā)。就在1月1日，日本突發(fā)里氏7.6級的地震，隨后陸續有災情傳出。據統計，目前至少已有62人死亡。
而下面這個(gè)問(wèn)題，也再一次被提起：人類(lèi)究竟什么時(shí)候能及時(shí)預測地震呢？別急，已經(jīng)在進(jìn)步了。現在，在用AI和其他技術(shù)及時(shí)預測地震這個(gè)方向，研究者取得了不少突破。科學(xué)家通過(guò)機器學(xué)習來(lái)研究斷層線(xiàn)的「慢地震」（預示地震到來(lái)的有用指標）信號，有望能作為準確預測地震的科學(xué)依據。而AI技術(shù)也成為了分辨地震信號和其他地質(zhì)學(xué)噪聲的重要工具。
地震預警
2017年9月，在墨西哥城發(fā)生8.2級地震前約兩分鐘，刺耳的警報器提醒居民地震即將來(lái)臨。現在在全世界范圍內普遍采用的這種地震預警系統，可以在潛在的破壞性地震開(kāi)始后三到五秒內，向受災地區發(fā)出響亮的信號。
首先，靠近斷層的地震儀可以捕捉到地震的開(kāi)始，精細編程的算法會(huì )確定震級可能的大小。如果是中型或大型地震，發(fā)出的警報會(huì )比地震本身傳播得更快，從而提供幾秒鐘到幾分鐘窗口期。這個(gè)時(shí)間窗口至關(guān)重要：就在這短短的幾秒鐘到幾分鐘，人們可以關(guān)閉電力和天然氣管道，將消防車(chē)移到街道上，轉移到安全的地方。但這些預警系統有局限性，存在誤報和漏報的情況。更重要的是，它的作用只是預警，并不是預測。「地震預測」，不再是無(wú)稽之談
預測地震，是一件極其困難的事。但這幾年，開(kāi)始有了希望的苗頭。本文作者地震學(xué)博士Allie Hutchison表示，2013年當自己開(kāi)始攻讀地震學(xué)博士學(xué)位時(shí)，預測地震這個(gè)話(huà)題顯得很不嚴肅，仿佛尋找尼斯湖水怪一樣，不屬于主流研究的范疇。
但僅僅七年后，很多事情都發(fā)生了變化。2020年開(kāi)始，當Hutchison開(kāi)始第二次博士后研究時(shí)，她發(fā)現業(yè)內的科學(xué)家對于地震預測的態(tài)度更為開(kāi)放了。她所在的項目Tectonic正是使用機器學(xué)習來(lái)推進(jìn)地震預測的。歐洲研究委員會(huì )深信這個(gè)項目的潛力，提供了為期四年、340萬(wàn)歐元的捐款資助。如今，許多備受尊敬的科學(xué)家，都在各自的子領(lǐng)域中取得了進(jìn)展。比如一種沿著(zhù)斷層線(xiàn)的「慢地震」行為（預示地震到來(lái)的有用指標），以及地震噪聲。但仍然很困難預測地震之所以如此困難，是因為專(zhuān)家們能知道的事情實(shí)在是太少了。20世紀60年代，板塊構造理論就被廣泛接受了，但幾十年后，人們對于地震成因的理解，也只是應力累積到臨界閾值，就會(huì )通過(guò)地震釋放。
但對于沿著(zhù)給定斷層線(xiàn)正在發(fā)生什么，專(zhuān)家們基本上一無(wú)所知。他們可以通過(guò)使用地震波和繪制地震位置來(lái)構建斷層的近似地圖，但無(wú)法直接測量它所承受的應力，也無(wú)法量化地面移動(dòng)的閾值。在地震預測上能做到的最好的事，就是了解特定地區地震發(fā)生的頻率。
比如，上一次導致加州圣安德烈亞斯斷層南部全長(cháng)斷裂的地震是在1857年。據估計，那里發(fā)生大地震的平均時(shí)間間隔在100到180年之間。根據粗略計算，第二次地震可能「遲到」了。當然，這種復發(fā)間隔可能差異會(huì )很大，樣本量?jì)H限于人類(lèi)歷史范圍內、地質(zhì)記錄中所記載的范圍，而這些，僅僅是地球歷史上發(fā)生過(guò)的地震的極小一部分。曾經(jīng)，專(zhuān)家們一度非常有信心。1985年，科學(xué)家沿著(zhù)加州中部圣安德烈亞斯斷層的帕克菲爾德部分安裝了地震儀和其他地震監測設備。
與其他斷層沿線(xiàn)的地震相比，該地區發(fā)生的六次地震的間隔時(shí)間異常規律，因此美國地質(zhì)調查局的科學(xué)家非常有信心地預測，下一次類(lèi)似震級的地震將在1993年之前發(fā)生。但實(shí)際上，這場(chǎng)地震2004年才發(fā)生，所以可以說(shuō)，預測失敗了。并且，對于容易發(fā)生大地震的地區，間隔可能長(cháng)達數百年，不確定性如此之大，這種預測方法基本是不靠譜的。對此，加州理工學(xué)院地球物理學(xué)家、美國地質(zhì)調查局前高級科學(xué)家Tom Heaton就曾這樣懷疑：我們根本無(wú)法預測地震。
在他眼里，地震很大程度上是隨機過(guò)程——我們可以把概率附加到事件上，但無(wú)法準確預測。「從物理學(xué)的角度來(lái)看，這是一個(gè)混沌系統。這一切的背后有重要的證據表明地球的行為是有序的和確定性的。但如果不充分了解地下發(fā)生的事情，就不可能憑直覺(jué)理解這種秩序?！?/span>新工具，讓地震預測開(kāi)始靠譜了
第二種可能和地震相關(guān)的信號，就是卡斯卡迪亞俯沖帶的大地測量學(xué)家發(fā)現，地殼會(huì )以奇怪的方向緩慢移動(dòng)，科學(xué)家稱(chēng)之為「緩慢滑行」現象。
發(fā)現第二種奇怪的地質(zhì)運動(dòng)的科學(xué)家們，在日本西南部進(jìn)一步發(fā)現了一種被稱(chēng)為「慢地震」的信號。就像常規地震一樣，這種慢地震能讓地殼中的應力重新分布。但是這種「慢地震」持續的時(shí)間會(huì )很長(cháng)，最長(cháng)可能長(cháng)達幾年時(shí)間。而在這種「慢地震」期間內，普通地震發(fā)生的概率會(huì )大大提高。但是進(jìn)一步的相關(guān)性研究發(fā)現，這種「慢地震」之后只是很可能伴隨普通地震，但結論并不絕對。雖然科學(xué)家在「慢地震」和普通地震之間沒(méi)有發(fā)現絕對的關(guān)聯(lián)，但是有科學(xué)家認為：可能地震的前兆信號就隱藏在其中，只是我們還沒(méi)有辦法足夠好的測量出這種前兆信號。而在這些復雜的信號中提取有用的信息，就是AI能產(chǎn)生作用的地方了。
AI能從噪音中尋找真正的地震信號
2017年，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室的Paul Johnson開(kāi)始使用機器學(xué)習來(lái)理解地震的數據。
他建立了一個(gè)人工模擬地震的實(shí)驗室，用各種方法來(lái)模擬地震。比如將巖石樣本放置在金屬框架內，將其中心切開(kāi)以模擬斷層，并將其置于圍壓下，讓局部傳感器測量樣品變形時(shí)發(fā)生的情況。在這個(gè)模擬地震的系統之下，他們發(fā)現機器學(xué)習可以幫助研究人員預測人為開(kāi)始制造的斷層需要多長(cháng)時(shí)間能引發(fā)震動(dòng)。
而令科學(xué)家感到驚喜的是，他們發(fā)現先前很多認為是噪聲的信號，卻被機器學(xué)習認為是可以做出預測的主要信號。
然后，Johnson開(kāi)始將這些發(fā)現應用于卡斯卡迪亞的地震數據。在地震數據中他們識別出了來(lái)自俯沖帶的連續的信號。這些「慢地震」信號開(kāi)始讓科學(xué)家可以重新建立一個(gè)地震數據模型。Johnson稱(chēng)：機器學(xué)習能夠建立起一些原本不存在的關(guān)聯(lián)，而其中的一些關(guān)聯(lián)讓人感到非常驚喜。
科學(xué)家們，在用AI做出嘗試
而除此之外，還有其他很多科學(xué)家，也在通過(guò)不同方式來(lái)使用機器學(xué)習，對地震進(jìn)行研究。雖然現在相關(guān)研究還處于早期階段，但機器學(xué)習方法可以揭示隱藏的結構和因果關(guān)系，讓數據看起來(lái)不再是雜亂無(wú)章的一堆數字。斯坦福大學(xué)的Mostafa Mousavi和Gregory Beroza等科學(xué)家，在研究如何使用機器學(xué)習來(lái)用單個(gè)地震臺的地震數據來(lái)預測地震的震級，這對地震的早期預警系統來(lái)說(shuō)非常有用。哈佛大學(xué)地球與行星科學(xué)教授Brendan Meade能夠使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測余震的位置。加州理工學(xué)院的Zachary Ross和其他研究人員使用深度學(xué)習技術(shù)從噪聲水平很高的數據中分辨出地震信號，從而使得科學(xué)家檢測出更多的地震。
Beroza、Mousavi和英國地質(zhì)調查局的研究員Margarita Segou通過(guò)機器學(xué)習識別地震數據，發(fā)現了可能比人類(lèi)所知多10倍的地震，從而創(chuàng )建了更大的地震數據庫。
他們在2021年發(fā)表在《自然通訊》上的一篇論文中公布了他們的發(fā)現。這些改進(jìn)的數據集可以幫助人類(lèi)和機器更好地理解地震。
肉眼可見(jiàn)的是，地震預測正在發(fā)生范式轉變。或許我們還需要幾十年的時(shí)間，來(lái)確定這一時(shí)期地震研究的意義，以及是否具有革命性的作用。可以確定的是，AI確實(shí)讓某些東西變得不一樣了。來(lái)源：新智元
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